机械系统中摩擦模型的分析

杨义准

【摘 要】现在社会发展迅速，在进行生产的过程中对机械系统的精度提出了更高的要求。为了能够提高机械运行的可靠性和稳定性，就应该采取合理的措施对机械摩擦产生的不良影响进行消除。现在，技术人员在对机械系统摩擦模型的建立上取得了一定的成绩。本文通过对机械系统中的摩擦问题进行分析，从而建立摩擦模型。

【关键词】机械系统 摩擦模型 分析

摩擦作为一种物理现象，在自然界中被广泛的应用。摩擦现象是在两个物体之间形成的。很长一段时间以来，摩擦问题也引起了广泛关注，物理學在对摩擦现象进行研究中也取得了一些进展。现在，摩擦的相关原理在机械的生产中得到了较为广泛的应用，如轮胎的刹车功能等。但是在一些大型机械中，如果不对摩擦进行限制，其就会影响到机械运行的精度，使机械不能正常的运动。

随着社会的迅速发展，在生产中人们对机械提出了更高的要求，为了能够确保机械系统的顺利运行，就要对机械在运行中的摩擦系数进行分析，采用摩擦补偿技术，提高机械的运行效率。机械摩擦的补偿技术在使用中存在一定的限制，所以，需要建立一个科学的摩擦模型，从而能够使摩擦系数的设计更加准确。在使用这些摩擦模型的过程中，应该分清这些模型的使用类型，分析其构成的原理和适用范围。

1 摩擦现象的分析

摩擦现象是在两个物体之间形成的，物体之间由于接触会形成一个切向的作用力，这个就是摩擦。产生摩擦的原因有很多，如机械的润滑程度不够，物体的加速度以及两个物体表面的粗糙程度等。

16世纪，人们就发现了摩擦现象，并开始进行研究，通过各类实验分析摩擦现象，找出了摩擦现象的根本原因。摩擦现象的类型主要有以下几种。

1.1 库伦摩擦

库伦摩擦是一种常见的摩擦现象，也是在物理运动研究中首先被提出的。库伦摩擦是在运动中产生的，所以又叫做运动摩擦。这种摩擦是由两个物体运动的加速度决定的，而且还与物体之间的接触面积有关。物体之间的接触面积越大，摩擦力也就越大。物体之间的摩擦与速度的幅值是没有直接关系的。

1.2 黏性摩擦

黏性摩擦是与物体之间的流体黏性决定的，其与物体的运动速度也有很大的关系，如果物体没有运动，那么，其黏性摩擦力的大小为零。

1.3 stribeck摩擦

这类摩擦能够对低速区的摩擦行为进行分析，能够建立稳态的速度函数，随着物体运动速度的增大，其数值会越来越小。

1.4 静摩擦力

静摩擦力在自然界中比较普遍，是自然界中形成的一种力，是物体从静止到运动产生的力的大小。静摩擦力与物体之间的相对速度成反比，与物体之间的作用力成正比。其与库伦摩擦力有相似之处，但是静摩擦力比库伦摩擦力要大。

1.5 预滑动移位

两个物体的表面发生接触后，如果施加的外力比静摩擦力要小，那么这两个物体在接触时就会产生位移，但是这种位移非常小，所以叫做预滑动位移。预滑动位移与弹簧具有一定的相似性，摩擦力不能运用速度函数的形式来表达，只能够运用位移函数来表达。

1.6 摩擦滞后

摩擦滞后指的是产生的摩擦力比滑动速度要滞后，其也可以称为摩擦记忆，速度和摩擦力之间会形成一种滞后的关系。所以，在做减速运动的过程中，摩擦力的幅值会变小，而滞后的速度变化与物体之间的速度是有密切关系的。

2 摩擦模型

20世纪初，物理学家已经对摩擦问题进行了深入的讨论，并建立起摩擦模型。摩擦模型的建立能够在一定程度上帮助研究人员分析摩擦产生的原因和机制，从而能够在机械的使用中避免摩擦，提高机械的运行效率。通过相关的分析，摩擦模型的种类有以下几种。

2.1 库伦模型

早在16世纪，库伦就进行了摩擦实验，分析出摩擦力与荷载存在密切的关系，摩擦力与物体的运动方向没有关系，与物体之间的接触面没有关系。相关的物理学家又对此理论进行了进一步的研究，得出了库伦模型，其参数的表达方式为：f（v）=fcsgn（v）。

在这个参数表达式中，f表示的是摩擦力，v表示的是相对滑动的速度，fc表达的是库伦摩擦系数，fn表示的是法向力。这是最早关于摩擦力的模型，其是运用速度函数来分析摩擦力的，所以，在表达摩擦力的时候也会受到一定的限制，只能够对速度大于零的摩擦力进行分析。如果物体的运动速度为零，表达的摩擦力的数值就会不准确。而且，在这一模型中，符号函数的应用，使方程运用分段函数来表示，为了能够使计算方法得到简化，就必须提出新的模型。

2.2 karnopp模型

上述的模型在表达的过程中是比较复杂的，而且在求解中容易出现错误，所以，其仿真过程中是很难得到控制的，而且不能检测到物体为零速度时的摩擦力。所以，物理学家研究出了karnopp模型，这类模型能够弥补库伦模型的不足，能够在零速度中分析出物体的摩擦力，其滑动速度也能够被准确地分析出来。在一个接近零的速度值中，这类模型也可以通过对工作条件的分析，从而能够分析出摩擦力的变化。在不同的速度区域中，速度可以为零，这时摩擦力的大小与物体受到的外力有很大的关系，摩擦力可以运用速度函数来表示，也可以借助外力模型来表示，使摩擦力的表达更加具体。

结语

现在，人们在生产中越来越注重生产效率的提高，所以，机械设备的运行效率显得尤为重要，在机械运行中，容易产生摩擦，这些摩擦会降低机械的运行效率，所以，建立摩擦模型，分析摩擦产生的原因，能够使机械在运行中减少耗损。

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